再生塊體混凝土疊合板應(yīng)用的研究*

丁 甲, 簡思敏, 王 帆, 吳 波, 張 濤

(1 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510640；2 廣州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，廣州 510440；3 華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510640；4 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

0 引言

建筑產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、安裝和拆除過程會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊混凝土。將這些廢舊混凝土處理后再次應(yīng)用到新建筑構(gòu)件生產(chǎn)中,不僅能緩解自然資源的過度消耗,還能減少建筑垃圾對(duì)自然環(huán)境的污染,符合“綠色建筑”的發(fā)展方向。

從降低廢舊混凝土循環(huán)利用的能耗和提高循環(huán)利用的環(huán)保效益角度出發(fā),課題組提出再生塊體混凝土的概念,即將廢舊混凝土破碎成大尺度塊體(60～300mm),直接與新混凝土混合,形成再生塊體混凝土及其相應(yīng)的再生塊體混凝土構(gòu)件。相較于再生粗骨料(粒徑4.75～36.5mm),這種方法不僅使廢舊混凝土在破碎和篩分時(shí)的破碎能耗降低,同時(shí)還能大幅減少形成再生混合物時(shí)的水泥用量。目前已從材料層次和構(gòu)件層次對(duì)再生塊體混凝土的基本性能開展了系統(tǒng)性的研究[1-3],頒布實(shí)施了廣東省標(biāo)準(zhǔn)《再生塊體混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-113—2016)[4]及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《再生混合混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 468—2019)[5]。

順應(yīng)建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢,再生塊體混凝土與裝配式建筑相結(jié)合,形成預(yù)制再生塊體混凝土構(gòu)件,無疑是今后的重要發(fā)展方向之一。疊合樓板是裝配式建筑的重要組成部分,具有整體性好、節(jié)約模板等優(yōu)點(diǎn)。為分析對(duì)比再生塊體對(duì)于鋼筋桁架疊合板抗彎性能的影響,本文開展了4個(gè)足尺試件的靜載試驗(yàn),并對(duì)預(yù)制底板進(jìn)行了有限元分析,得到的數(shù)據(jù)可以為此類疊合板的生產(chǎn)和研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)疊合板施工階段和使用階段“兩階段受力”的特性,依據(jù)工程實(shí)際,共設(shè)計(jì)4個(gè)試件,2個(gè)為預(yù)制底板試件(無現(xiàn)澆層,模擬施工階段),編號(hào)分別為DB-1、DB-2;2個(gè)為疊合板試件(有現(xiàn)澆層,模擬使用階段),編號(hào)分別為B-1、B-2。兩種類型的試件中各有一個(gè)使用再生塊體混凝土,再生塊體取代率η=20%,取代率η為試件中再生塊體的質(zhì)量與全部混凝土(預(yù)制底板試件為預(yù)計(jì)澆筑完現(xiàn)澆層后的全部混凝土)質(zhì)量之比,試件編號(hào)分別為DB-2、B-2;試件DB-1、B-1均不采用再生塊體混凝土。

圖1 試件模板

圖2 試件配筋圖

表1 試件基本尺寸

1.2 材料性能

新混凝土采用C35商品混凝土,其立方體抗壓強(qiáng)度按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[6]的規(guī)定測取,7d為42.2MPa,28d為51.3MPa。

廢舊混凝土來自某工地的廢棄基坑支護(hù)梁(圖3),采用大型破碎機(jī)對(duì)先基坑支護(hù)梁進(jìn)行破碎,然后進(jìn)行二次破碎篩分為特征尺寸約70～100mm的塊體(圖4)。根據(jù)《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS 03∶2007)[7]的規(guī)定,測取直徑為100mm、高為100mm的廢舊混凝土圓柱體芯樣的抗壓強(qiáng)度,然后將其換算成150mm立方體抗壓強(qiáng)度,換算結(jié)果為48.3MPa。

圖3 廢棄基坑支護(hù)梁

圖4 再生塊體

澆筑預(yù)制底板時(shí),制作了8個(gè)長、寬、高為300mm的再生塊體混凝土立方體試塊(取代率η=20%),測取其抗壓強(qiáng)度并換算為150mm立方體抗壓強(qiáng)度,換算結(jié)果為:7d抗壓強(qiáng)度為41.9MPa,28d抗壓強(qiáng)度為50.5MPa。

2 預(yù)制底板試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

試件左、右兩端分別設(shè)置固定鉸支座和滑動(dòng)鉸支座,支座間距為2.4m(圖5)。豎向均布荷載通過質(zhì)量塊(2.5kg/塊)模擬,分級(jí)加載于試件上。試驗(yàn)開始之前,在預(yù)制底板上表面畫上網(wǎng)格線,質(zhì)量塊按照網(wǎng)格線劃分有序放置。

圖5 預(yù)制底板試驗(yàn)裝置圖

在預(yù)制底板上表面布置6個(gè)豎向位移計(jì),其中2個(gè)布置在跨中,4個(gè)布置在四角支座處。再生塊體混凝土預(yù)制底板試件DB-2試驗(yàn)時(shí)先預(yù)加100kg濕砂找平,以確保質(zhì)量塊能順利加載。試件正式加載時(shí),按每級(jí)3.6kN(144塊質(zhì)量塊)逐步加載,直至試驗(yàn)結(jié)束。本次試驗(yàn),當(dāng)試件出現(xiàn)跨中撓度達(dá)到跨度的1/50、受壓區(qū)混凝土壓壞或受拉鋼筋斷裂的現(xiàn)象之一時(shí),認(rèn)定試件已達(dá)到承載能力極限狀態(tài),停止加載。

2.2 預(yù)制底板宏觀破壞形態(tài)

(1)試件DB-1

加載至第4級(jí)荷載(14.1kN)時(shí),板側(cè)出現(xiàn)第一條裂縫,隨著荷載的增加,裂縫不斷延伸并變寬,并且出現(xiàn)新裂縫,新裂縫向上延伸。加載至第5級(jí)(17.6kN)和第6級(jí)荷載(20.0kN)時(shí),各聽到一次混凝土開裂的聲音。最終加載至871個(gè)質(zhì)量塊(21.3kN)時(shí),板跨中撓度達(dá)到跨度的1/50,判斷達(dá)到破壞條件,停止試驗(yàn)。終止試驗(yàn)時(shí),試件側(cè)面照片如圖6所示。此時(shí)板側(cè)有多條裂縫出現(xiàn),并有裂縫延伸至板頂。

圖6 試件DB-1試驗(yàn)終止時(shí)板側(cè)照片

(2)試件DB-2

加載至第5級(jí)荷載(18.6kN)時(shí),混凝土開裂,隨著荷載的增加,裂縫不斷延伸并變寬,并且出現(xiàn)新裂縫,新裂縫向上延伸。但板撓度增長與裂縫發(fā)展速度明顯慢于試件DB-1,在加載至第12級(jí)荷載(42.4kN),板跨中撓度為12.7mm,此時(shí)質(zhì)量塊已堆疊較高,為確保安全,終止試驗(yàn)。終止試驗(yàn)時(shí),試件側(cè)面照片如圖7所示。此時(shí)板側(cè)有多條裂縫,但均未延伸至板頂。

2.3 預(yù)制底板試驗(yàn)結(jié)果分析

荷載-跨中撓度曲線如圖8所示。可見,曲線呈現(xiàn)雙折線形式,即試件開裂前為彈性階段和開裂后為彈塑性階段;開裂前,試件撓度線性增長;開裂后,曲線斜率減小,撓度增長加快。

圖8 預(yù)制底板荷載-跨中撓度曲線

由圖8可見,試件DB-2的抗彎剛度和承載力都明顯高于試件DB-1的抗彎剛度和承載力,分析其原因如下:

(1)再生塊體凸出板面的部分可以起到受壓混凝土的作用,增加了板截面面積,使其中和軸位置上移,從而提高了板抗彎剛度和承載力。

(2)由于布料工人不熟悉再生塊體混凝土預(yù)制底板的生產(chǎn)工藝,導(dǎo)致新混凝土布料偏多,加上再生塊體一定程度上阻礙了新混凝土的流動(dòng),導(dǎo)致其厚度大于對(duì)比試件DB-1。這一現(xiàn)象在后續(xù)工程應(yīng)用的正式生產(chǎn)中可通過控制新混凝土布料量以及增加新混凝土的流動(dòng)性得到優(yōu)化。

鋼筋桁架、底筋和混凝土對(duì)預(yù)制底板的抗彎剛度均有貢獻(xiàn),桁架上弦鋼筋與受壓區(qū)混凝土一同參與受壓,下弦鋼筋與底板受力筋一同受拉。

關(guān)于施工階段的短期剛度的計(jì)算,目前《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[8]及《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)[9]給出的計(jì)算方法均未考慮鋼筋桁架的貢獻(xiàn)。

對(duì)于如何計(jì)算帶鋼筋桁架的預(yù)制底板在施工階段的抗彎剛度,有多位學(xué)者進(jìn)行了研究,并提出了相應(yīng)的計(jì)算方法,如周玉成[10]提出將鋼筋桁架折算為等效混凝土截面的等效慣性矩法,聶建國[11]提出了忽略鋼筋桁架對(duì)中和軸影響,拆解混凝土和桁架受力并進(jìn)行迭代的疊加法。預(yù)制底板截面示意圖見圖9。

圖9 預(yù)制底板截面示意圖

等效慣性矩法的計(jì)算方法為:

(1)

A0=α′EA′S+(αE-1)AS+bh1

(2)

(αE-1)AS(x-c1)2

(3)

BS=0.85ECI0

(4)

式中:A0為鋼筋等效為混凝土后全截面的換算截面面積;A′S、AS為受壓、拉鋼筋截面面積;BS為鋼筋等效為混凝土后換算截面的等效截面抗彎剛度;α′E、αE為鋼筋桁架上、下弦縱向鋼筋與預(yù)制截面混凝土的彈性模量比值;b為預(yù)制截面寬度;I0為換算截面等效慣性矩;EC為預(yù)制截面混凝土彈性模量;ES為鋼筋彈性模量。

疊加法的計(jì)算公式如下:

(5)

式中I為不考慮鋼筋桁架的截面慣性矩。

采用以上兩種方法計(jì)算得到的試件DB-1彈性階段的抗彎剛度見表2。

表2 試件DB-1彈性階段抗彎剛度對(duì)比

由表2可見,疊加法和等效慣性矩法兩種計(jì)算方法計(jì)算的試件DB-1彈性階段抗彎剛度的誤差都在5%以內(nèi),可以使用這兩種方法來預(yù)估試件DB-2的等效截面高度。

將試件DB-2的實(shí)測抗彎剛度值2473.9kN·m2代入等效慣性矩法和疊加法兩種計(jì)算方法的計(jì)算式(1)、(2),得到試件DB-2的等效截面高度分別為90.2、96.6mm。

實(shí)際測量試件DB-2跨中位置底板厚度,板邊處板厚為77mm,板寬三分點(diǎn)處板厚為87mm和88mm,中間點(diǎn)處板厚為9mm。對(duì)比上述結(jié)果與等效慣性矩法和疊加法計(jì)算的等效截面高度可推測,除去混凝土板厚因素影響外,再生塊體的凸出也會(huì)提高預(yù)制疊合板的抗彎剛度。

由預(yù)制底板截面示意圖9(b)可知,凸出板面的再生塊體起到了增加混凝土截面面積、提高中和軸的作用。塊體的尺寸越大,其凸出板面的體積越大,對(duì)中和軸的提高作用也就越明顯。

3 有限元分析

為探究塊體凸出部分對(duì)預(yù)制底板剛度的貢獻(xiàn),本節(jié)使用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元建模分析。

3.1 模型驗(yàn)證

采用軟件ABAQUS建立有限元模型DB-0(圖10)進(jìn)行分析。使用分離式模型,將鋼筋和混凝土作為不同的單元分別建模,將位于預(yù)制底板內(nèi)的鋼筋采用內(nèi)置區(qū)域(embedded region)的約束方式嵌入板中。在預(yù)制底板板面處,鋼筋桁架腹桿在采用綁定(tie)方式連接。荷載采用表面載荷(surface traction)方式在板面施加面力。混凝土單元采用六面體縮減積分單元(C3D8R),此單元具有計(jì)算效率高、在彎曲荷載作用下不容易發(fā)生剪切自鎖等優(yōu)點(diǎn)。鋼筋單元選用兩節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元(T3D2)。

圖10 有限元模型DB-0

計(jì)算得到的有限元模型DB-0荷載-跨中撓度曲線如圖11所示。由圖可見,有限元模型DB-0荷載-跨中撓度曲線呈較明顯的雙折線形式,而試件DB-1荷載-跨中撓度曲線更近似曲線,這是由于試驗(yàn)中DB-1試件在開裂荷載附近單級(jí)荷載過大,未能很好地表現(xiàn)出預(yù)制底板開裂前后底板剛度的變化;有限元模型DB-0和試件DB-1的荷載-跨中撓度曲線比較吻合,可以利用此模型開展進(jìn)一步的有限元分析。

圖11 荷載-跨中撓度曲線計(jì)算與實(shí)測結(jié)果對(duì)比

3.2 塊體因素影響研究

3.2.1 模型建立

以直徑為70、80、90、100mm的球體模擬塊體,以20%的取代率確定球體個(gè)數(shù),并將其均勻布置在板內(nèi)建立有限元模型。不同球體尺寸有限元模型參數(shù)如表3所示。

表3 不同球體尺寸有限元模型參數(shù)

以有限元模型DB-100(圖12)為基礎(chǔ),改變其再生塊體的取代率和排布方式建立有限元模型,不同取代率有限元模型參數(shù)見表4,不同排布方式有限元模型參數(shù)見表5。

圖12 有限元模型DB-100

表4 不同取代率有限元模型參數(shù)

表5 不同排布方式有限元模型參數(shù)

3.2.2 模型分析結(jié)果

各有限元模型抗彎剛度和極限彎矩對(duì)比見圖13和表6,其中極限彎矩為跨中撓度達(dá)到板跨1/50時(shí)的跨中彎矩。由圖表可以看到:

表6 各有限元模型抗彎剛度和極限彎矩對(duì)比

(1)帶有再生塊體的預(yù)制底板相較于無塊體的預(yù)制底板,其抗彎剛度和極限彎矩均有提升,且隨著再生塊體尺寸的增大,抗彎剛度和極限彎矩的提升幅度也越大。塊體尺寸越大,其凸出板面的體積也越大,混凝土截面高度和相應(yīng)的抗彎剛度、極限彎矩也越大,與第2節(jié)的推測相符。

(2)當(dāng)再生塊體尺寸不變時(shí),取代率越高,預(yù)制底板的抗彎剛度和極限彎矩也隨之增大。

(3)在保持取代率和再生塊體尺寸不變的情況下,排布方式對(duì)抗彎剛度和極限彎矩的影響不明顯。

(4)當(dāng)再生塊體取代率為20%時(shí),帶有再生塊體的預(yù)制底板相比傳統(tǒng)預(yù)制底板抗彎剛度和極限彎矩的最大提升幅度分別可達(dá)19.2%和12.5%。

值得注意的是,上述有限元計(jì)算是建立在再生塊體均為球體且其力學(xué)性能和普通混凝土相近的假設(shè)上進(jìn)行的。再生塊體的形狀和力學(xué)性能對(duì)再生塊體預(yù)制底板抗彎性能影響的研究還有待進(jìn)一步展開。

4 疊合板試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

對(duì)于疊合板的試驗(yàn),試件左、右兩端分別設(shè)置固定鉸支座和滑動(dòng)鉸支座,支座間距為2.4m(圖14)。豎向荷載通過加載梁施加于跨中,加載裝置由反力架、液壓千斤頂和壓力傳感器組成。在試件上表面布置6個(gè)豎向位移計(jì)(其中2個(gè)布置在跨中,4個(gè)布置在四角支座處)。正式加載時(shí),按每級(jí)5.0kN加載,直至試件最終破壞。

圖14 疊合板試驗(yàn)裝置圖

本次試驗(yàn),當(dāng)試件出現(xiàn)跨中撓度達(dá)到跨度的1/50、疊合面破壞、受壓區(qū)混凝土壓壞或受拉鋼筋斷裂的現(xiàn)象之一時(shí),認(rèn)定試件已達(dá)到承載能力極限狀態(tài)并停止加載。

4.2 疊合板宏觀破壞形態(tài)

試件B-1、B-2的破壞過程基本類似,具體表現(xiàn)為:試件加載至20.0kN左右時(shí),跨中附近出現(xiàn)第一批裂縫,隨著荷載增加,裂縫不斷增加并向板頂延伸,且從跨中向支座不斷有新的豎向裂縫產(chǎn)生并向上發(fā)展。臨近破壞時(shí),裂縫延伸至接近板頂。最后試件跨中撓度達(dá)到跨度的1/50,判定試件達(dá)到承載力極限狀態(tài),停止試驗(yàn)。停止試驗(yàn)時(shí),試件側(cè)面的裂縫開展情況如圖15所示。

圖15 試件破壞時(shí)板側(cè)裂縫圖

4.3 疊合板試驗(yàn)結(jié)果及分析

疊合板荷載-跨中撓度曲線見圖16。從圖16可以看出,試件B-1、B-2均經(jīng)歷了彈性階段和彈塑性階段。在彈性階段,荷載-跨中撓度曲線基本呈線性關(guān)系,此時(shí)試件剛度較大,撓度較小;隨著荷載的增大,撓度增大幅度也隨之增大,曲線逐漸偏向撓度軸,進(jìn)入彈塑性階段。在曲線末端,即試件接近承載力極限狀態(tài)時(shí),荷載上升緩慢而撓度發(fā)展迅速,曲線已近似平直。試件具有明顯變形,屬于延性破壞。

圖16 疊合板荷載-跨中撓度曲線

從荷載-跨中撓度曲線來看,試件B-1和試件B-2的開裂荷載和彈性階段的曲線斜率相近,再生塊體對(duì)試件的初始剛度的影響不明顯。試件開裂后進(jìn)入彈塑性階段,試件B-1、B-2兩者曲線斜率不斷下降,最終達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí),試件B-1極限荷載為81.7kN,試件B-2極限荷載為83.7kN,再生塊體對(duì)試件的極限荷載影響同樣不明顯。

當(dāng)再生塊體混凝土的抗壓強(qiáng)度(本試驗(yàn)中為50.5MPa)與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度(本試驗(yàn)中為51.3MPa)相近時(shí),再生塊體混凝土疊合板同樣具有與普通混凝土疊合板相近的抗彎性能,滿足工程使用要求。

5 應(yīng)用概況

再生塊體混凝土疊合板已應(yīng)用于華南理工大學(xué)國際校區(qū)一期工程[12]C地塊A塔樓,共計(jì)使用30塊。

預(yù)制構(gòu)件在廠區(qū)自有混凝土攪拌站及預(yù)制底板生產(chǎn)線的工廠生產(chǎn)。本次疊合板生產(chǎn)中,先利用料斗在疊合板模板中布置再生塊體,再利用布料機(jī)布置混凝土,再生塊體混凝土預(yù)制底板生產(chǎn)的具體流程如圖17所示。

圖17 再生塊體混凝土預(yù)制底板生產(chǎn)施工流程

在再生塊體混凝土板養(yǎng)護(hù)完成后,進(jìn)行現(xiàn)場安裝和混凝土澆筑,如圖18所示,再生塊體的使用對(duì)管線走向和面筋鋪設(shè)無明顯影響,現(xiàn)場施工與普通混凝土疊合板相同。

圖18 再生塊體混凝土疊合板施工現(xiàn)場

6 結(jié)論

(1)當(dāng)再生塊體混凝土的抗壓強(qiáng)度不低于普通混凝土的抗壓強(qiáng)度時(shí),再生塊體混凝土疊合板在施工階段和使用階段均具有不弱于普通混凝土疊合板的抗彎性能,可以滿足實(shí)際工程使用的要求。

(2)在施工階段,再生塊體混凝土預(yù)制底板凸出板面的再生塊體可以提高預(yù)制底板的抗彎剛度和承載力,提高幅度與再生塊體的特征尺寸及取代率呈正相關(guān)。

(3)有限元結(jié)果表明,當(dāng)再生塊體尺寸和取代率不變的情況下,再生塊體的排布方式對(duì)抗彎剛度和極限彎矩的影響不明顯。